高光譜成像技術(shù)是一種新興無損檢測(cè)技術(shù)，它能夠同步獲取待測(cè)樣本在紫外到近紅外光譜覆蓋范圍內(nèi)的空間信息和光譜信息，具有“圖譜合一”的特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于不同行業(yè)樣品的內(nèi)外品質(zhì)檢測(cè)。本文對(duì)高光譜成像技術(shù)的原理及應(yīng)用領(lǐng)域做了介紹。
高光譜成像技術(shù)的原理：
高光譜系統(tǒng)中的每個(gè)像元均可獲取同一個(gè)光譜區(qū)間內(nèi)幾十到幾百個(gè)連續(xù)的窄波段信息，并得到一條平滑而完整的光譜曲線，同時(shí)整個(gè)成像系統(tǒng)還可獲取被測(cè)物的空間信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物內(nèi)部成分與外觀特征的同時(shí)檢測(cè)，具有光譜連續(xù)與分辨率高等特點(diǎn)。
典型的高光譜成像系統(tǒng)如上圖所示，主要包括光源、成像光譜儀、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)與載物臺(tái)等。其中，光源為整個(gè)系統(tǒng)提供照明，一般由兩個(gè)鹵素?zé)艚M成。成像光譜儀中的光學(xué)元件把輸入的寬帶光分散成不同頻率的單色光，并將其投射到CCD相機(jī)上實(shí)現(xiàn)光譜成像。載物臺(tái)用于放置待測(cè)物品，整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。
系統(tǒng)獲取的高光譜圖像可用一段連續(xù)波段的光學(xué)圖像組成的立體三維圖像來表示，如下圖所示。其中XY平面的二維圖像表示物體的空間信息，如形狀大小、缺陷等。由于物品外部變化會(huì)影響反射光譜，故形狀、顏色或缺陷在某一特定的波長(zhǎng)下圖譜會(huì)有變化。λ坐標(biāo)表示物體的光譜信息，將反映出待測(cè)物成分結(jié)構(gòu)等內(nèi)部品質(zhì)。
高光譜成像技術(shù)的特點(diǎn)：
高光譜成像技術(shù)作為目前常用的檢測(cè)手段之一，它具有以下特點(diǎn)：
1.具有特別高的光譜分辨率
高光譜成像技術(shù)采樣間隔在10nm左右，能反映待測(cè)樣品的細(xì)微特征，可以為檢測(cè)、預(yù)測(cè)提供很好的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
2.波段多
在可見-近紅外區(qū)間具有數(shù)百個(gè)波段。
3.數(shù)據(jù)量大
在同一波長(zhǎng)范圍，高光譜技術(shù)可將光譜區(qū)間分為數(shù)百個(gè)波段，數(shù)據(jù)量特大量增加，加大對(duì)樣品分析的可能性。
4.冗余信息增加
在精細(xì)化波段的同時(shí)，波段間的相關(guān)性隨之增加，冗余信息含量增多。
5.同時(shí)提供圖像信息和光譜信息
依據(jù)高光譜成像技術(shù)的原理，它將二維成像技術(shù)與一維光譜曲線結(jié)合構(gòu)成三維數(shù)據(jù)，多方面采集樣品特征。
高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域：
光譜成像技術(shù)作為一門近三十年內(nèi)興起的新興的綜合技術(shù)，廣泛應(yīng)用于海洋研究、大氣探測(cè)、植被研究、地質(zhì)研究、生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)畜產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)以及文物鑒定保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域，下面將分別闡述光譜成像技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用情況。
1、海洋研究中的應(yīng)用
隨著光譜成像技術(shù)的不斷發(fā)展，成像光譜儀的分辨率也在不斷提高目前已達(dá)到納米級(jí)別，因此可以利用光譜成像儀去檢測(cè)海洋和湖泊的水質(zhì)，“海洋窗口”是指450～600nm的藍(lán)光至黃光波段，利用這個(gè)波段可以很好的觀測(cè)海洋和湖泊中浮游生物、沉積性懸浮物、葉綠素分布等情況。
2、大氣探測(cè)中的應(yīng)用
光譜成像技術(shù)在大氣探測(cè)中的應(yīng)用主要分為兩個(gè)方面：一方面，檢測(cè)大氣中溫室氣體的含量，如二氧化碳、臭氧及污染氣體；另一方面，確定大氣溫度和水汽垂直分布的情況，進(jìn)行大氣過程研究和地球表面成分分析等。大氣探測(cè)對(duì)光譜成像儀的光譜分辨率要求較高，通常采用超光譜成像儀。
3、植被研究中的應(yīng)用
利用高光譜數(shù)據(jù)可以分析得到植物葉子和植冠中的化學(xué)成分，通過觀測(cè)這些化學(xué)成分的變化，從而監(jiān)測(cè)大氣和環(huán)境的變化引起的植物功能變化。
4、地質(zhì)研究中的應(yīng)用
光譜成像技術(shù)最初被應(yīng)用于礦物探測(cè)、巖礦識(shí)別、油氣滲漏監(jiān)測(cè)和礦產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)，這也是最初高光譜遙感應(yīng)用的最成功的領(lǐng)域。
5、生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
隨著基因醫(yī)學(xué)、分子生物學(xué)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)分析檢測(cè)也提出更高的要求，不再滿足于傳統(tǒng)的定性和定量分析，“綜合形態(tài)分析”的概念于1999年在匹茲堡化學(xué)與光譜學(xué)會(huì)議上被提出。綜合形態(tài)分析要求提供觀測(cè)樣本中的生化成分或者化學(xué)成分的定量分布影像以及其變化信息。光譜成像技術(shù)可以滿足綜合形態(tài)分析、定性和定量等要求，因此具有極大的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，在生物醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
6、農(nóng)畜產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用
從二十一世紀(jì)初開始，光譜成像技術(shù)在農(nóng)畜產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域顯現(xiàn)出了巨大的潛力，尤其是在對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的內(nèi)外品質(zhì)檢測(cè)方面，光譜成像技術(shù)在農(nóng)畜產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)的研究中，主要是對(duì)蘋果品質(zhì)的檢測(cè)，例如表皮污染、硬度、糖度、缺陷以及可溶性固體物方面的檢測(cè)，其次是小麥和黃瓜品質(zhì)的檢測(cè)，以及雞肉表面污染的檢測(cè)。其他檢測(cè)對(duì)象包括：馬鈴薯、柑橘、豬肉、梨子、蘑菇等等。通過高光譜數(shù)據(jù)提取農(nóng)產(chǎn)品表面顏色、結(jié)構(gòu)以及組分的信息，同時(shí)獲取對(duì)象內(nèi)部的一些信息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的預(yù)測(cè)。
7、文物鑒定保護(hù)中應(yīng)用
不同的文物具有不同的分子結(jié)構(gòu)和年代特征，因此在一定的光譜波段范圍有不同的自然發(fā)光光譜、吸收光譜、散射光譜、受激發(fā)射光譜的特性，不同的文物由于具有不同的分子結(jié)構(gòu)特征和年代特征都具有各自的特征波長(zhǎng)，將這些特征波長(zhǎng)作為檢測(cè)和鑒定文物的指紋。光譜成像技術(shù)可以獲得檢測(cè)和鑒定文物的指紋，并給出一定光譜波段范圍的光譜圖像。
